JPS6046889B2 - エツジモードセラミツク共振子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はセラミックフィルタやセラミック発振回路に
使用されるセラミック共振子に関するもので、共振子の
支持やリード端子の取付けの容易なセラミック共振子を
提供するものである。

従来セラミック共振子は使用される共振周波数および
比帯域幅などの用途に応じて各種の振動モードが利用さ
れており共振周波数が数■れ以下の場合には円板、正方
形板の輪部振動や矩形板の長さ振動など共振子全体が振
動する振動モードが利用され共振周波数が数ＭＨ２から
数十ＭＨ２の場合には振動エネルギーが圧電磁器板の中
央部に局部的に集中しているいわゆるエネルギーとじ込
め振動モードが利用されている。

第１図は眉ラジオ等の中間周波数増幅回路用４５５ｋ
ＨＺセラミックフィルタに用いられているセラミック共
振子の例であり第１図ａは厚さ方向に分極された直径約
５ｍ７７ｌの円板であり第１図をは厚さ方向に分極され
た１辺の長さ約４．７Ｔｎｍの正方形板である。

第１図の円板および正方形板共振子はいずれも中心部分
を振動の節とした輪部振動をする。したがつてこれらの
共振子の支持および電気端子の取り出しは微小突起の形
成された金属端子板を振動の節に圧接するか、振動の節
に細いリード線を半田付する方法で行なわれており前者
では圧接部の電極がはがれたり機械的な振動により接触
不良を起すなど信頼性的に問題があり、後者では半田付
作業が難しいうえに支持による特性のばらつきが大きい
という欠点があつた。第２図は共振周波数１０．７Ｍ圧
のエネルギーとじ込め共振子の構造例であり厚さ約０．
２Ｔｗｔ辺長約５？の正方形板の中央部に直径約１．５
？の円形電極が対向して形成され、両面の円形電極から
基板端部に外部接続用電極が引出されている。第２図の
エネルギーとじ込め共振子ではリード端子との接続は振
動にほとんど影響を与えることがない基板の端部で半田
付によつて行われるため特性のばらつきの少ない信頼性
の高い共振子が得られる。しかし従来のエネルギーとじ
込め共振子は「厚みたてモード」あるいは「厚みすベリ
モード」が利用されているため共振周波数はセラミック
基板の厚さによつて−定まり、共振周波数を低くしよう
とすると基板の厚さが厚くなりこれにほぼ比例して外形
寸法が大きくなることから共振周波数の下限は数ＭＦＩ
ｚに限られていた。本発明は以上に示した従来のセラミ
ック共振子！の欠点を除き、主として中波周波数帯で使
用される外形寸法的にも実用的な支持やリード端子の取
付けの容易なセラミック共振子を提供するものであり、
長方形圧電磁器板の端部近傍にのみ振動エネルギーが集
中し、共振周波数が圧電磁器板の幅こによつて定まるエ
ッジモード振動を利用し振動による面積歪が大きな値を
示す部分の分布に対応した形状の駆動電極を前記圧電磁
器板の端部近傍の両面に対向して形成することを特徴と
している。

以下本発明の原理を実施例についての図面を参３照して
詳して説明する。エッジモード振動は従来から知られて
いるように無限長ストリップ中に波打ちながら減衰して
行く波を表わす分散曲線における複素分枝に関係したモ
ードであり従来はスプリアス振動として知ら４れていた
。

本発明はこのエッジモード振動を積極的に利用するため
に、エッジモード振動を効果的に励振する電極構造を提
供する。第３図は厚さ方向に分極された十分に薄い板幅
？の半無限長圧電磁器ストリップの座標系を示す。この
磁器ストリップについて計算した対称幅振動の分散曲線
の例を第４図に示す。規準化周波数Ωはで与えられる。

ここにωは角周波数、ρは密度、？は振動子の板幅、Ｃ
ｌｌＰは薄板近似を用いた場合の弾性定数で次のように
表わされる複素分枝Ｃ１が現われる停留点Ω＄以下の周
波数範囲を考えるとこの領域には無限個の複素分枝Ｃ１
、Ｃ２・・・・・・・・と１個の伝搬モードを表わす実
数分枝！とが存在する。

エッジモードは伝搬モードＬとは結合しない。

すなわちエネルギー損失のない完全な固有モードである
と仮定し、さらに無限個の複素分枝の中から１次と２次
の複素分枝Ｃ１、Ｃ２だけを用いて考える。各次数の複
素分枝Ｃ。に対して波数ＫＨの根が４個存在する力鳴→
＋１で零に減衰する波を与える互に共役な波数ＫＨを持
つ２個の複素分枝ＣｎＣ謎を考える。すなわち１次とし
て２次で計４個の波を考え、これらの１次結合で解を表
わしＸ１、Ｘ２方向の変位成分Ｕ１、Ｕ２を次のように
置く （ＥｊＯ）ｔは省く）ここにＫｎ＝Ｋｒｎ＋Ｊｋ
，ｎ 宋は複素共役を表わす 上式のＫｎ〜Ａｌｍｎ〜Ａ２ｍｎ〜αＴＴｌｎは波動方
程式とＸ１＝±Ｈでの境界条件を満足する複素分枝の波
を表わす定数でありＡｎ，，Ｂｎは式＝０の自由端での
境界条件で定まる定数である。

式＝０での境界条件Ｔ２＝Ｔ６＝０を満足するエッジモ
ードの解を求めるために変分法を用いることとし次式の
ラグラジアンＬを導入する―−ーー
．−２このラグラジアンの極小を与える条件の係数に
関する行列式を零と置くことにより共振周波数が得られ
る。

共振周波数が求まれば式（２）から変位Ｕ１、Ｕ２が求
められ次式より面積歪Δの分布が求められる。 ワＡ
ｌＶΔｚ 第５図に計算の結果によつて得られたエッジモードの振
動パターンを示す。

また第６図にはこの変位分布をさらに詳しく見るために
Ｘ１＝Ｈでの変位Ｕ１、Ｕ２およびＸ１＝０での変位Ｕ
２（Ｕ１は常に零）の分布を示す。エッジモードは端面
近くだけ振動しており、式の増大と共に変位は急激に減
少しＸ２／２ＦＩ＝１．５では端面での振幅の数％程度
になつている。従つてＸ２／２Ｈ〉１．５の部分を固定
して−も振動にはほとんど影響しないことがわかる。本
発明は長方形（長さＬ１幅州、厚さＴ、但しＬ）州、Ｔ
（２Ｈ）の厚み方向に分極した圧電磁器板の長手方向端
部の近傍にのみ振動エネルギーが集中して圧電磁器板の
コーナーが円弧状に伸縮し前記圧電磁器板内で変位する
エッジモード振動であつて、前記圧電磁器板の端部近傍
の上下両面に対向して夫々２組の逆位相電極を形成しし
７かも振動による面積歪が大きい部分に等高線に沿つて
ほぼ半円状の駆動電極を形成し、前記電極を付した端部
より距離Ｘ２／２Ｈ〉１．５の部分を支持固定したエッ
ジモード共振子である。第７図は面積歪分布の計算結果
を等高線で示したものである。

図中の数値は面積歪の相対値を示している。本発明は振
動による誘起電荷が面積歪分布に比例することを利用し
て、面積歪分布の形状に合わせた形状の駆動電極により
エッジモード振動を効果的に振動しているところに特徴
を有する。

第８図は本発明の１つの実施例を示すものでありａは表
面電極ｂは裏面電極を示している。長さ（Ｌ）２０Ｔｍ
ｆｎ１巾（２ＦＩ）２．４ＴｗＬ１厚さ（Ｔ）０．２？
の長方形圧電磁器板１（東北金属製ネペチツク６材）を
厚さ方向に分極処理した後第８図に示すように端部中央
部の表裏両面に対向させて駆動電極３ａおよび３ａ″を
形成し、さらに圧電磁器板の他端側に外部接続用電極３
および３″を引き出している。駆動電極３ａおよび３ａ
″の形状は第７図に示した面積歪の大きな部分の形状合
わせて概略半円状となつておりこの実施例では端部から
の距離ｄは０．７ＷｆＬに形成しｄ／州の比はほぼ０．
３としている。

第９図は第８図に示した共振子のアドミタンス特性であ
る。共振子は端面から約４ｗｎ離れた部分を残してベー
ク板に固定している。したがつて圧電磁器板の長さは６
ｗｎ位まで短かくすることができる。第９図の特性では
容量比Ｃｄ／Ｃが３３と小さい値を示しでおりセラミッ
クフィルタを構成するのに十分な特性を示している。第
９図において主共振周波数の約１．３倍の周波数付近に
小さなスプリアスが見られる。

これは幅方向が一様に振動する幅たて振動によるもので
あるが電極寸法を変えることにより軽減することも可能
で一般の用途に対しては実用上問題とならない場合が多
い。第１０図は本発明の別の実施例を示すものてありａ
は表面電極ｂは裏面電極を示している。

第１０図では前記幅たて振動によるスプリアスを抑える
ために逆位相駆動電極が形成されている。すなわち図に
おいて圧電磁器板１は前記実施例と同一寸法同一材質よ
りなり厚さ方向に分極処理した後、まず図に示すように
端部中央部の表裏両面に対向させて前記圧電磁器板の長
手方向に幅の０．３）倍の位置に達する弧状の駆動電極
３ａおよび３ａ″を形成する。次に第７図に示した面積
歪が駆動電極３ａおよび３ａ″の部分と逆の符号でその
相対値が大きい部分に対応して圧電磁器板の端部近傍の
両側部の表裏両面に対向して逆位相駆動用電極−２ａ，
２ａ″および４ａ，４ａ″を形成する。さらに裏面にお
いては駆動電極３ａ″および逆位相駆動電極２ａ″，４
ａ″は電気的に接続され浮遊電極となつており、表面に
おいては駆動電極３ａおよび逆位相駆動電極２ａ，４ａ
からそれぞれ前記圧電磁器フ板の長手方向に端部から３
倍の位置を固定して外部接続用電極３，２，４が引き出
されている。第１１図は第１０図に示した共振子の外部
接続用電極２と４を接続し、これと外部接続用電極３と
を２端子とした共振子のアドミタンス特性である。共振
子は前記実施例と同様に端面から約４ＴＷＬ離れた部分
を残してベーク板に固定している。第１１図の特性では
第９図に見られたスプリアスが全く抑えられており逆位
相駆動用電極がスプリアスを抑える点で大きな効果を有
することがわかる。したがつて特にスプリアス特性に対
する要求が厳しい場合には逆位相駆動電極が有効である
。また第１０図の場合外部接続用電極が同一面になる点
も複数個の共振子を接続してフィルタを構成するのに有
利である。第１１図において容量比が４３であり第９図
の場合より大きくなつているがこれは引出し線の線間容
量、駆動電極と逆位相駆動用電極との間の容量およびそ
の相互間の容量のためであり、電極形状を振動特性にあ
まり影響を与えない範囲で変えるか引き出し線の幅を細
くしあるいは長さを短くすることにより改善でき、この
変更は本願発明を何んら限定するものではない。以上述
べたように本発明のエッジモード共振子は振動エネルギ
ーが長方形圧電磁器板の端部近傍に集中しているため駆
動電極端から板幅の１．５倍一以上離れた部分を固定す
れば共振子特性にほとんど影響を与えす、共振子の支持
およびリード端子の取付けも容易になり、支持による特
性のばらつきの少ない信頼性の高い共振子が得られる。
また駆動電極の形状を面積歪分布に対応して決めてい４
るため実用的な容量比が得られておりこれらを用いてラ
ダー型セラミックフィルタを構成しても実用的に十分な
比帯域幅を得ることができる。以上の説明は圧電セラミ
ックスについて行つたが圧電セラミックスのかわりにＬ
ｉＴａＯ３などの圧電単結晶その他の圧電材料を用いて
も同様な共振を得ることができることは言うまでもない
。

【図面の簡単な説明】

第１図は４５５ｋ圧セラミックフィルタに用いら゛れて
いる従来のセラミック共振子の斜視図。 第２図は従来のエネルギーとじ込め型１０．７ＭＨＺセ
ラミック共振子の斜視図。第３図は本発明を説明するた
めの半無限長圧電磁器ストリップの振動解析を行うため
の座標軸。第４図は分散曲線の計算例、第５図はエッジ
モード振動の変位分布、第６図はＸ１＝ＯおよびＸ１＝
Ｈでの変位Ｕ１、Ｕ２の分布、第７図は面積歪分布の計
算結果、第８図は本発明の実施例を示す構造図であり、
第９図は第８図の共振子のアドミタンス特性、第１０図
は他の実施例の構造図で第１１図は第１０図の共振子の
アドミタンス特性図。図において１・・・・・・圧電磁
器、２，３，３″９４・・外部接続電極、３ａ，３ａ″
・・・・・・駆動電極、２ａ，２ａ″，４ａ，４ａ″・
・・・逆位相駆動用電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 長方形の厚み方向に分極した圧電磁器板の長手方向
   端部の近傍にのみ振動エネルギーが集中して圧電磁器板
   のコーナーが弧状に面内で変位するエッジモード振動の
   共振子であつて、前記圧電磁器板の端部より該圧電磁器
   板の幅の０．３倍の距離までの、しかも幅方向の中心部
   を中心に振動による面積歪が大きい部分に弧状の駆動電
   極を設け、前記端部より前記圧電磁器板の幅の１．５倍
   より遠い距離にある点を支持固定することを特徴とする
   エッジモードセラミック共振子。